M.I.L.E Modular Invertido de Lama Estructural

Este Trabajo de Final de Máster se centró en estudiar un sistema modular invertido, con la capacidad de generar un montante exterior, que sea estructura, a la vez que una lama de protección solar, que mejore las prestaciones del módulo, compactando todo a su mínima expresión. Se desarrolla en torno a un proyecto, Edificio Giga, ubicado en Buenos Aires, de los arquitectos argentinos Dieguez Fridman (www.dieguezfridman.com). Sobre éste, se analizan dos hipótesis.

Maqueta de proyecto.

La investigación apunta a transitar el proceso de diseño de un sistema, más que el desarrollo del proyecto en sí. El interés es desmenuzar los parámetros del modular, entender todos los procesos internos, todas sus iteraciones, desde las que son tangibles, como las acciones mecánicas o térmicas, a las intangibles como son las acciones culturales sobre la industria.

El proyecto intentará mirar adelante, pero con los pies en el presente, buscando cómo, con lo que tenemos a la mano, podemos responder mejor a las demandas de la emergencia ecológica actual.

El proyecto se basa en el caso del muro cortina desarrollado entre 2017 y 2018 para Dieguez Fridman, y en otros casos reales que tuvieron un problema común. Planteaban lamas verticales exteriores, adosadas al montante de un modular, por un interés tectónico. Sin embargo, por sus dimensiones, fueron demasiado caras para ser solo un componente estético, y se eliminaron del proyecto.

La reflexión del TFM nace de enfrentar varias veces este mismo caso: ¿Tiene sentido que un montante de 200 mm tenga que ser reforzado para ser portante de una lama de 600 mm que por si sola resiste el triple? ¿Podríamos prescindir del montante interior, y hacer trabajar estructuralmente al elemento exterior, que es lo que interesa al proyecto? ¿Podría ese elemento exterior optimizar las prestaciones de la fachada? ¿Podría ser un sistema customizable?

Concepto montante proyecto GIGA 2017.

Cuando se repasa la historia de la fachada ligera y el muro cortina, algunos sitúan el origen en el Crystal Palace de Paxton, otros en las obras de Gropius, otros el Reliance Building de Chicago. Sea el que sea, hay algo en lo que todos coinciden, y es que la nueva generación de envolventes que surge a principios del siglo pasado, nace de transferencias tecnológicas de otras industrias, que nada tenían que ver con el mundo de las fachadas, ni la tectónica de las mismas. Industrias obsoletas de la Post Guerra fueron generadores de los principales componentes de la nueva generación de fachadas. Hay estudios sobre los distintos puntos de inflexión en la historia industrial, pero aquí interesa hacer hincapié en uno.

@Dieguez Friedman Render de proyecto GIGA 2017.

40 años después de los primeros muros cortina, se climatiza el primer edificio, al reconocer que una fachada de vidrio no era del todo confortable en determinadas condiciones climáticas.

60 años después, agotados los esfuerzos por compensar lo que generó la climatización, a través de la mejora de las prestaciones de los materiales (principalmente aluminio y vidrio), NYC decide prohibir tajantemente las fachadas de metal vidrio, y Europa de forma indirecta, a través de normativas cada vez más estrictas, apunta a lo mismo.

Con lo cual, surge la pregunta ¿Qué tiene que hacer la industria a partir de aquí? ¿Ha de bajar la cortina y resignar que ha llegado a su limite, o ha de reflexionar y plantear nuevas hipótesis, que permitan transformar la industria y adaptarse a las nuevas reglas de juego?

Esquema de Concepto de módulo MILE.

Los muros cortinas modulares se rigen por la Norma EN-UNE-13830 / Fachadas Ligeras - Norma de producto. Los principales componentes de un muro cortina modular son:

• Elemento resistente
• Barreras de estanqueidad en junta entre módulos
• Panel
• Impermeabilización en unión del vidrio o panel con el marco

Building to Suit Climate A Hasndbook. Gerhard Hausladen Pietra Liedl Mike de Saldanha

Existen muchos casos de muros cortina tradicionales o modulares invertidos. Se analizan obras de referencia, entre ellas:

• El Seagram Building en Nueva York. El gran paradigma de la historia del muro cortina es un muro cortina invertido.
• Vertical City de OMA. El montante de la torre de oficinas es un montante modular invertido. Nace de la fusión de un perfil de ventana y un montante modular simétrico, y vienen a ser en términos industriales, la actualización tecnológica del montante del Seagram, dado que, sin duda, una torre en altura, hoy es inviable en otro sistema que no sea modular.
• Zukunftiger Medienpark Zurich, Gutnecht Jager Architektur. Fachada CCF de Josef Gartner.
• Allianz Headquarters Wallisellen Suiza, Arquitecto: Wiel Arets. Fachada CCF de Josef Gartner.

De todas las obras se deduce que lo mas complejo en los muros cortina invertidos pasará por resolver la conexión del montante a la estructura primaria.

Destacan los Close Cavity Facades de Josef Gartner como ejemplo de muro invertido adaptado a una condición climática fría.

MILE intentará resolver un Modular Invertido para abordar una condición de clima templado - cálido.

Perfiles del sistema MILE

Creará un montante de aluminio ‘insuficiente’ estructuralmente, que deberá ser siempre complementado con un material B, que tenga la capacidad de aportar la resistencia mecánica que hemos restado al montante de aluminio, y que a la vez sea la lama. Se considera el aluminio un material de altas emisiones en su proceso de transformación, por lo que se intentará restar aluminio para reemplazarlo por materiales de producción más sostenible o directamente reciclables.

• Adoptar sistemas globales para generar variantes locales

La globalización de la tecnología constructiva de la fachada ligera, nos ha llevado por años, a plantear la torre genérica, el muro cortina exactamente igual en un clima frío que en un clima tropical. El muro cortina sobretodo a finales de siglo en medios anglosajones, se ha exportado como un sistema unívoco de partes indisolubles. Eso le ha hecho ser altamente juzgado por la cultura arquitectónica, básicamente porque redujo la piel de vidrio a un ejercicio tecnológico que olvidó, por años, el resultado final de la Arquitectura que producía, poblando el mundo de edificios iguales.

De izquierda a derecha: Caso teórico. Ejemplo de lama de vidrio; ejemplo de lama de madera y ejemplo de lama de aluminio.

En cierta medida, la disociación entre la complejidad del desarrollo industrial, la ingeniería, y la arquitectura, hizo que el muro cortina evolucionase únicamente en sus demandas internas, en resolver problemas, subsanar patologías, etc., sin transmitir el resultado de su complejidad al exterior, al Proyecto de Arquitectura.

• Caso Teórico

Para entender MILE como un sistema, se desarrolla un proyecto teórico, previo al desarrollo de GIGA, de un módulo de lamas exteriores paralelas simple. Con ello se obtienen los perfiles del sistema.

Todas las versiones del proyecto GIGA, se desarrollarán en base al mismo catálogo de perfiles con el que se ensambla esta primera versión. Es decir, todas las versiones serán customizaciones de un mismo sistema.

Módulo tipo Caso teórico. Izquireda, vista exterior; derecha, vista interior.

El proceso de una envolvente ha de ir de la escala general del proyecto, a una escala particular de la unidad que compone la fachada, sea esta un módulo de muro cortina, ventana, fachada ventilada, etc. No existe uno sin el otro y a lo largo del desarrollo, se irán informando entre sí, hasta ecualizar todos sus parámetros.

Es un proceso no lineal, que irá y vendrá de una escala global a una escala pormenorizada, hasta encontrar su punto de equilibrio. El detalle trasforma al total, mientras el total va dando forma al detalle.

Alzado Proyecto GIGA con variación de módulos.

Cada parámetro, tendrá un factor de importancia diferente en cada proyecto, constituyendo el ADN único para cada obra. En general, los parámetros climáticos y estructurales serán los más determinantes en el diseño, pero puede darse el caso que sean las condiciones acústicas, por ejemplo, para un edifico que esté muy expuesto a una autopista o vía de tren, etc.

Se determinan 21 parámetros claves, que se han de tener en consideración para un proyecto de fachadas, a nivel general.

Concepto de Planta “Diente de Sierra” con lama lateral de longitud variable.

Simulación de radiación recibida en los vidrios. Comparación de 4 escenarios.

Cada parámetro se relaciona con una normativa, que define, por ejemplo, la unidad de medida, los parámetros de referencia, los parámetros para cálculo de las acciones especificas, normas de control de calidad, etc. Toda acción que se lleva a cabo dentro del desarrollo, se inscribe dentro de una norma. Resulta fundamental el conocimiento de ellas para desarrollar cualquier tipo de innovación.

La estrategia o ADN del proyecto GIGA, es tener una fachada dinámica, un sistema de 5 módulos variables en función de la radiación recibida. Se propone generar un ‘diente de sierra’ para reorientar los vidrios en contra de la dirección del sol.

Se realizan una serie de simulaciones de la radiación recibida sobre los vidrios (Software Rhino+Grasshopper+ Ladybug), y se obtienen como resultado que el diente de sierra no es suficiente. Se incluye entonces una lama de longitud variable en el lateral de la sierra. Se optimiza probando diferentes combinaciones y distribución de módulos, y se obtiene un 45% de reducción de radiación sobre el vidrio.

2 módulos - lama de vidrio.

1. Primera Hipótesis

Se arranca de un sistema modular simétrico, porque para la resolución del sistema “serrucho”, uno de ellos se usará dado vuelta, provocando el decalaje de los vidrios. Lama de vidrio, con serigrafía espejo.

Planta Tipo del Módulo

Se intentará siempre que la presión entre dos módulos, a pesar del serrado, se produzca en un ángulo de 90º. Los vidrios no serán paralelos al canto de forjado. La rotación de los vidrios será de 12º respecto al borde.

Planta fugada de módulo tipo.

Sobre el montante aparecen 6 barreras de estanqueidad, pero realmente en tres dimensiones son solo 4, tal como se verá en el análisis de la sección. Alinear las barreras es un punto crítico del sistema.

Se resuelve la fijación del vidrio visión mediante silicona estructural, por el desagüe en la sección. Se analiza la unión mecánica de las lamas al montante.

• Barreras de Estanqueidad

El decalaje en forma de serrucho, produce barreras de estanqueidad en dos direcciones (x, y), produciendo un punto débil en la junta vertical entre módulos. Como criterio, se intentará primero, poner barreras de gravedad, y luego las protecciones necesarias mediante burletes y butiral.

Detalle Sección y Barreras de Estanqueidad.

• Casos de Carga

Se determina el viento según la Norma Argentina Cirsoc 102. Sabiendo el viento, se puede determinar el espesor de los vidrios. Se utiliza la formula de Timoshenko para el vidrio visión, sin embargo es necesario utilizar Mepla para el análisis de las lamas, dado que también presentan cargas viento en dos direcciones.

En este caso, lo primero que tendrá que establecerse, es si el vidrio trabajará estructuralmente. En caso de ser estructural, habrá que tener en cuenta principalmente:

• Redundancia
• Estado Post Rotura
• Evaluación de riesgos

Si el vidrio es redundante, tendrá que ser templado y laminar. El cálculo del conjunto vidrio+montante, tendrá que ser analizado por FEM.

Con los vidrios, se puede saber el peso propio.

• Montantes y travesaños

Los travesaños se analizan mediante método tradicional, teorema de Steiner y secciones transformadas.

Se analiza el bite de silicona, para dimensionar las aspas.

Detalle Montante.

En el montante las cargas serán mucho más complejas, dadas las dos direcciones de viento que genera la forma de sierra.

Se analizan 4 escenarios:

• Caso 1. Viento en x, y.
• Caso 2. Viento en x, y, panel 12mm no estructural, peso abajo (vidrio a compresión).
• Caso 3. Viento en x, y panel laminado 20mm, peso arriba. (Vidrio a tracción)
• Caso 4. Viento en x, y panel laminado 20mm, peso arriba vinculado al anclaje.

Análisis Vidrio Lama (Mepla).

El caso 2 no solo no verifica, sino que empeora las deformaciones y tensiones del aluminio respecto al caso1. No refuerza, sino que debilita (lo contrario de lo esperado).

El 4 en cambio, cumple deformaciones, y prácticamente verifica a tensiones (Es un ejercicio teórico, este análisis podría haber sido una investigación en si mismo).

De izquierda a derecha: caso 1, caso 2, caso 3 y caso 4.

Izquierda, III.4.3.5 Caso 4; derecha, III.4.3.3 Caso 2.

• Puente Térmico

El puente térmico en Y implica la inclusión de aislamiento térmico al interior de la cámara. THERM arroja que no hay puente, pero si un punto muy débil, con una transmitancia muy alta. Si bien cumpliría la normativa local Argentina, se estima que un proyecto de referencia no puede dejar un punto débil.

Por ende, se plantea una segunda hipótesis, que apostará por una estrategia con más acción, mucho más radical.

Análisis Térmico (THERM).

Planta tipo.

Sección tipo.

Edificio GIGA.

Modulación en forma de escama.

2. Segunda hipótesis

Tomando en cuenta la determinación de la Ciudad de Nueva York de prohibir los edificios 100% vidriados, y como referencia a la apuesta para hacer edificios con Consumo Casi Nulo del nuevo Código Técnico Español, se re-formula el módulo, para tener un edificio todo vidrio, pero con prestaciones a la altura de las nuevas exigencias, se complejiza la hipótesis.

La estrategia será:

Reducir ganancia solar – Reducir la transmitacia – Reducir las emisiones – Producir ventilación natural - Producir energía para auto consumo. Se aumentan las acciones.

Arriba: Simulación AR.8 1ene – 31 marzo. Radiación annual acumulada: 1.069e+6 kWh/m2.

Abajo: Simulación AR.7 1 ene-31 marzo. Radiación anual acumulada: 562.681 kWh/m2.

Para ello se propone generar una franja opaca vertical. Esta franja reducirá progresivamente las ganancias solares, aumentará el aislamiento, protegerá el canto expuesto y además, permitirá corregir la torsión de la lama para reorientar-la y poder así incorporar tecnología de producción fotovoltaica en el vidrio lama.

Este escenario indagará además en la materialidad del montante para reducir las emisiones, logrando que todo el componente estructural sea a su vez acabado interior, soporte de la lama, y buffer térmico.

El porcentaje aislado varía desde el 10% de la superficie al 40% del total del paño. Las zonas más expuestas estarán principalmente en la sombra de la torre y de los voladizos. El desafío pasará por poder componer estas piezas de ángulos variables sin tener que generar matrices adicionales. Esta versión de proyecto se desarrolla exactamente con los mismos perfiles que la Hipótesis 1.

Planta modulo Hipótesis 2.

Contando cubiertas, la k total se reduce de 1,40 a 0,72 w/m²k.

Dada la enorme radiación recibida sobre las lamas, parece natural incorporar un mecanismo de captación solar en ellas. Evidentemente, se ha de lograr una relación equilibrada, entre la inclinación óptima para captación solar, y la producción de sombra para reducir el factor solar del vidrio. A pesar de tener peor rendimiento, se opta por el silicio amorfo. Con esta tecnología se puede elegir el color, y determinar el patrón de perforación y transparencia que se quiere para generar la sombra.

Al reposicionar el vidrio respecto a la primera propuesta, se mejora notablemente el rendimiento de las lamas, reduciendo hasta un 67% la radiación recibida por el vidrio visión, respecto al edificio de muro cortina original.

Los vidrios de silicio amorfo, vienen en espesor de 12mm (6+6), y en esta versión de proyecto, se desestimará que sean estructurales. Su función pasa a ser otra. Las lamas recibirán una media de1.239.300 W/hr/m².

Análisis térmico (THERM).

Se incorpora ventilador con rotura de puente térmico en la junta horizontal, a modo de los aireadores mecánicos. Con solapa interior auto regulable para permitir un flujo controlado de aire filtrado.

Módulo 4.04. Secuencia de módulos. Vista exterior.

Módulo 4.06. Secuencia de módulos. Vista interior.

El montante de aluminio incorporado para generar la franja opaca, tampoco verifica estructuralmente. Lo que se propone es vincularlo al montante principal del módulo, y componer un único gran cajón. Sobre este elemento completo se aplicarán las cargas del peso del vidrio. Se verifica, y es estable.

Se proponen los elementos de conexión en madera, reduciendo notablemente las emisiones de CO2, respecto a una estructura de aluminio. La madera queda protegida por el vidrio.

En resumen.

• La radiación se reduce en un 67% respecto al muro cortina original.
• La tramitancia se reduce un 50%. No hay puente térmico, no hay punto débil.
• Se incorpora ventilación.
• Se estima producción de energía suficiente para abastecimiento de las zonas comunes del edificio.
• Se estima una reducción de emisiones de mas de 700.000kg CO2.

El resultado final, una fachada de vidrio, un mapa de vibraciones, con prestaciones incluso por delante de las demandas normativas que tenemos hoy.

El modular debería avanzar, de ser una acción industrial, a ser una acción arquitectónica que plantea problemas, anticipa y aborda desafíos más allá de sus límites. Si el modular, en vez de pensarse como un objeto estático, se piensa como un sistema adaptable y dinámico, se puede permitir esa posibilidad. Para ello, es necesario conocer las reglas de juego, y disociar lo imprescindible de lo prescindible. En lo primero, barreras de estanqueidad, tolerancias, absorción de movimientos, etc. En lo segundo, la composición de la estructura, la materialidad, la composición de paneles, los mecanismos activos, etc.

Cargas aplicadas:

Dentro del sistema, cuanto más inherentes a la función vital del módulo sean sus partes, más fácil será que lleguen a término. Cuando todas las partes contribuyan al comportamiento estructural, térmico, acústico, etc., no se podrá prescindir de ninguna. Y la mínima expresión material será siempre la más ecológica.

En cierta medida, si la realidad se vuelve consecuencia de una buena hipótesis, muy probablemente, ésta será interesante.

Planta tipo con diagrama de inducción de aire.

Sección tipo.

Prototipo tridimensional nudo de 4 módulos.

Plantas tipo módulos variables.